基于多肽構建的微-納米結構.pdf

1、利用NCA開環(huán)聚合法得到聚氨基酸型多肽的研究已經(jīng)有數(shù)十年之久的歷史,研究的領域也從早期的嵌段共聚物和相分離結構轉(zhuǎn)向各類應用,比如作為微納米功能性載體、藥物載體、DNA載體、響應性凝膠等等。但是,這些體系大部分僅限于線型的多肽嵌段共聚物。本文在前人工作的基礎上,合成了不同內(nèi)核和支臂的超支化多肽嵌段共聚物,并研究了基于多肽構建微/納米結構的方法,研究的領域涉及超支化多肽嵌段共聚物的合成與表征、以多肽為模板的生物礦化、在無機材料表面接枝多肽以

2、及多肽穩(wěn)定的金納米粒子的制備和組裝行為。具體研究內(nèi)容和主要結論概括如下:
　　 (1)具有超支化內(nèi)核的含多肽嵌段共聚物的合成和生物相容性研究。
　　 利用超支化PEI作為引發(fā)劑,使ZLys-NCA,BLG-NCA、Phe-NCA和BAsp-NCA開環(huán)聚合,得到四類具有親水性的PEI內(nèi)核,不同臂長的疏水臂的超支化多肽嵌段共聚物。通過脫除多肽側(cè)鏈的保護基團,又進一步得到三類雙親水型的超支化多肽嵌段共聚物。通過1H NMR譜和

3、FT-IR光譜,對這些超支化多肽嵌段共聚物的結構進行了表征,并利用1H NMR譜計算了分子量、EI/多肽段百分含量等參數(shù)。
　　 利用商品化的超支化聚酯Boltorn H20/H40和Boc保護的苯丙氨酸,通過DCC縮合和保護基團脫除反應,得到了含部分端氨基的超支化聚酯H2O-NH2和H4O-NH2。使用它們作為大分子引發(fā)劑,令ZLys-NCA和BAsp-NCA開環(huán)聚合,并進一步脫除保護基團,分別得到三類疏水內(nèi)核,親水臂的超支化

4、多肽嵌段共聚物。通過1H NMR譜和FT-IR光譜,對這些超支化多肽嵌段共聚物的結構進行了表征,并分別利用GPC法和NMR法表征了它們的分子量、分子量分布和多肽臂長等參數(shù)。
　　 對超支化多肽嵌段共聚物的生物相容性進行了表征,結果顯示聚合物的生物相容性與聚合物中可攜帶正電荷的基團相關,這類基團越多,生物相容性越差。通過引入含有羧基的適當長度的PGlu段和PAsp段,可以得到具備生物相容性的超支化嵌段聚合物。
　　 (2)

5、聚賴氨酸為模板的碳酸鈣生物礦化研究。
　　 以PLys為模板,通過氣相擴散法制備了不同形貌的碳酸鈣晶體,其中長有“腰帶”的雙球形碳酸鈣晶體是首次報道。用SEM對長有“腰帶”的雙球形碳酸鈣晶體形貌進行分析,結果表明,“腰帶”的寬度大約為2～3納米,球體表面覆蓋著具有分形結構的晶片,組成“腰帶”的晶片也與之類似。LM-Raman光譜分析結果表明,長有“腰帶”的雙球形碳酸鈣晶體屬于球文石。通過改變模板分子PLys濃度、初始pH值、鈣離

6、子濃度和反應時間等條件,還得到了雙球形、扁球形、六邊形和中空圓環(huán)狀等一系列特殊形貌的碳酸鈣晶體,它們也屬于球文石。
　　 PLys控制碳酸鈣礦化的過程中,分子鏈中存在的α螺旋起到重要的作用:在一定的pH值下,PLys吸附鈣離子,并利用分子鏈中存在的α螺旋為模板,形成碳酸鈣納米晶。這些帶有納米晶的PLys分子鏈再組裝成赤道平面對稱的大晶核,并在不同的條件下生長成形貌各異的碳酸鈣大晶體。當[Ca2+]和[PLys]較低時,晶核生長為

7、無腰帶的雙球形晶體。[PLys]增加到一定值后,生成的是赤道區(qū)較寬的雙球形晶體,隨著體系pH值增加,原來的生長方向被抑制,但沿著赤道區(qū)垂直于球體方向和球體的切線(指向赤道面)方向繼續(xù)誘導生長出柏樹葉狀,具有分形結構的晶片,最終形成長有“腰帶”的雙球形碳酸鈣晶體。起始pH值較高,或者PLys濃度較大時,生成扁球狀碳酸鈣晶體,這是因為α螺旋的濃度也較高,對晶體沿極軸方向的生長有抑制作用。當鈣離子濃度較高,礦化時間延長時,生成六邊形碳酸鈣晶體

8、,鈣離子濃度進一步提高則生成中空環(huán)狀結構的碳酸鈣。該研究結果表明,在自然界中,碳酸鈣的礦化可能不僅僅依靠那些含有可變?yōu)樨撾x子的殘基(如天冬氨酸或谷氨酸)的多肽,多肽的二級結構在控制碳酸鈣礦化中也起到非常重要的作用。
　　 (3)超支化多肽嵌段共聚物為模板的碳酸鈣礦化研究。
　　 以不同聚谷氨酸段鏈長的PEI-PGlu分子為模板,通過氣相擴散法獲得了不同形貌的碳酸鈣晶體。按照模板分子的差別進行了相應的研究。當以PGlu段較

9、短的PEI-PGlu1分子為模板時,改變模板分子和鈣離子濃度,得到的是以梭狀晶為主的碳酸鈣晶體。隨著鈣離子濃度不同,晶體的形貌變化不大,隨聚合物濃度不同,在聚合物含量較少時,可以得到晶面較為明顯的晶體,形貌更接近拉伸菱方晶。用XRD和LM-Raman光譜研究了晶體結構,這些晶體均為方解石。當以PGlu段長度適中的PEI-PGlu2分子為模板時,鈣離子的濃度對碳酸鈣晶體的形貌可以產(chǎn)生很大影響。隨著鈣離子濃度的增加,晶體的形貌從拉伸菱方晶轉(zhuǎn)

10、化為兼具拉伸菱方晶和雙球晶特征的過渡型晶體,再變?yōu)殡p球形晶體,最后變成球狀或半球狀晶體。聚合物的濃度對碳酸鈣形貌的影響較小,在實驗的范圍內(nèi),聚合物濃度越高,越難以生成明顯的大晶面。用XRD和LM-Raman光譜研究了晶體結構,這些晶體均為方解石,伴生有一些球狀的文石晶體。鎂離子存在時,可以干擾方解石晶型的生成。使用不同混合溶劑也會對碳酸鈣的形貌產(chǎn)生很大影響。這可能是溶劑對不同嵌段的溶解能力、溶劑化效應、混合溶劑對二氧化碳的溶解性以及混合

11、溶劑對模板的形貌的影響造成的。
　　 PEI-PGlu作為模板進行碳酸鈣礦化時,PEI-PGlu分子類似一個三維的“納米反應器”。PEI段和PGlu段都可以對碳酸鈣的形貌產(chǎn)生影響,以PGlu段的影響更大,它的側(cè)鏈羧基可以和鈣離子通過電荷復合和絡合形成碳酸鈣礦化的模板,而PEI的作用是吸附二氧化碳/碳酸根。PEI-PGlu作為模板可能的機理如下:最初的誘發(fā)碳酸鈣晶體生長的模板由數(shù)個被鈣離子聯(lián)系在一起的PEI-PGlu分子組成,當分

12、子為谷氨酸殘基含量較少的PEI-PGlu1時,由于Glu含量太低,無論鈣離子濃度如何變化,也只能產(chǎn)生傾向于生成梭狀的晶體的模板。當分子為谷氨酸殘基含量適中的PEI-PGlu2時,通過改變鈣離子的濃度,可以改變PEI-PGlu分子之間“交聯(lián)”的程度,并依據(jù)”交聯(lián)”程度的不同得到形貌不同的模板,進而生成形貌截然不同的晶體。當模板分子的PGlu比例進一步增大時,由于PGlu鏈段足夠長,這時更傾向于把鈣離子吸附在分子內(nèi),而不是在分子間共享鈣離子

13、,這種模板傾向于形成球狀的碳酸鈣。
　　 (4)用Graft-From法在無機納米材料表面修飾多肽。
　　 利用酸化和氨基化反應,得到氨基化的多壁碳納米管MWNT-NH2,再用MWNT-NH2引發(fā)BLG-NCA開環(huán)聚合,得到表面接枝多肽的多壁碳納米管MWNT-PBLG。運用透射電鏡對MWNT-PBLG進行表征,證明多肽已經(jīng)接枝到多壁碳納米管上,多肽層的厚度為4.50～22 nm。采用熱重分析計算了多肽的接枝量并估算了接枝

14、多肽的平均鏈長,隨著投料比的不同,多肽的接枝量為3.74gPBLG/g碳管到6.04g PBLG/g碳管不等,平均鏈長則在8.13～13.2個BLG殘基之間。紅外光譜和XPS譜顯示了與普通的PBLG相比,接枝在碳納米管表面的PBLG的氫鍵作用力更弱,這可能是因為后者的一端固定在碳納米管表面,難以形成分子間氫鍵造成的。溶解度測試則表明MWNT-PBLG在強極性溶劑中分散得更好。
　　 利用硅烷偶聯(lián)劑進行表面改性,得到氨基化的二氧化

15、硅納米微球SiO2-NH2,再用它引發(fā)ZLys-NCA開環(huán)聚合,得到表面接枝多肽的二氧化硅納米微球SiO2-PZlys。運用透射電鏡對SiO2-PZlys進行表征,證明多肽已經(jīng)接枝到二氧化硅納米微球上,多肽層的厚度為14.7～26.8 nm不等。采用熱重分析計算了多肽的接枝量,隨著投料比不同,多肽的接枝量為0.36g PZlys/g SiO2～0.223gPZLys/g SiO2不等。
　　 兩種無機納米粒子表面接枝多肽的熱重分

16、析和透射電鏡表征結果顯示,接枝多肽的量并不能隨著NCA:無機納米粒子的投料比線性變化,這意味著接枝時發(fā)生的NCA開環(huán)聚合反應并非活性聚合。由于碳納米管的比表面積比二氧化硅納米微球大得多,而且碳納米管還是中空的,因此單位質(zhì)量的碳納米管能夠比二氧化硅納米微球接枝更多的多肽。
　　 (5)多肽穩(wěn)定的金納米粒子的研究。
　　 使用巰基乙胺三氟乙酸鹽引發(fā)ZLys-NCA開環(huán)聚合,得到端巰基的多肽衍生物PZLys-SH,利用不同長度

17、的PZLys-sH作為穩(wěn)定劑,在DMF溶液中使用硼氫化鈉還原法得到油溶性的金納米粒子Au@PZLys-SH,UV-Vis光譜分析表明,在使用同樣的PZLys-SH時,金氯酸的量越多,所得的金納米粒子尺寸越大,溶液的顏色越偏向藍紫色。TEM分析表明所得的金納米粒子尺寸為5～10nm,擁有較為完美的晶格。以分子量較小的PZLys-SH1為穩(wěn)定劑得到的金納米粒子還可能在水中組裝為直徑為數(shù)十納米的囊泡。此外,Au@PZLys-SH表面帶有正電荷

18、,可以與經(jīng)強酸處理過,表面帶有羧基的單壁碳納米管復合。TEM照片證實這種復合物最常見的形態(tài)是多顆金納米粒子富集于多根碳納米管上,或是出現(xiàn)在碳納米管的交匯處。
　　 使用聚賴氨酸直接在水相中還原金氯酸,得到聚賴氨酸穩(wěn)定的金納米粒子Au@PLys。這種金納米粒子的直徑為10nm左右。Au@PLys可以與側(cè)鏈帶有羧基的超支化多肽嵌段共聚物H4O-Phe-PAsp復合生成膠束,膠束的直徑隨著Au@PLys的增加變大,增長到一定程度后,變